楊萍+楊磊

摘要：從車(chē)道偏離預(yù)警方面著手為了協(xié)助司機(jī)使車(chē)輛行駛在正確的車(chē)道線內(nèi)，并且能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和提醒司機(jī)車(chē)道已經(jīng)偏離，以保證不會(huì)因?yàn)樗緳C(jī)的疏忽、疲勞等原因引起的車(chē)道偏離，降低由于車(chē)道偏離所引發(fā)的交通事故，從而提高車(chē)輛的主動(dòng)性安全，建立了車(chē)道偏離預(yù)警模型和預(yù)警決策的算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法具有一定的可靠性和實(shí)際應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞：偏離預(yù)警；車(chē)道識(shí)別；預(yù)警模型

中圖分類(lèi)號(hào)：U491

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2017）6-0173-04

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人均汽車(chē)擁有量和機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)量不斷上升，人們?cè)谙硎苘?chē)輛帶來(lái)的巨大便利時(shí)，也苦吞其帶來(lái)的惡果[1]。當(dāng)汽車(chē)處于長(zhǎng)途駕駛或在高速路上行駛時(shí)，司機(jī)通常會(huì)因?yàn)檫^(guò)度的勞累或者因單調(diào)駕駛而出現(xiàn)注意力不集中和打磕睡的一些現(xiàn)象，以致于駕駛者在駕駛過(guò)程中遇到危險(xiǎn)行駛情況時(shí)未能及時(shí)準(zhǔn)確的做出反應(yīng)，導(dǎo)致汽車(chē)偏離路線，甚至發(fā)生交通事故[2]。所以，本文研究的車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)，主要是協(xié)助司機(jī)在單調(diào)的行駛環(huán)境中保持在相應(yīng)車(chē)道內(nèi)駕駛，這已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)。

2 常用車(chē)道偏離預(yù)警模型的分類(lèi)

在現(xiàn)有的車(chē)道偏離預(yù)警模型當(dāng)中可粗略劃分為4類(lèi)：FOD（基于汽車(chē)未來(lái)偏離的量的不同[3]）、CCP（基于汽車(chē)在車(chē)道中的目前位置）[4]、KBIRS（基于知識(shí)下的道路場(chǎng)景感知）以及TLC（基于汽車(chē)即將橫越車(chē)道邊界的時(shí)間）這4種類(lèi)型[5～8]。

2.1 FOD車(chē)道偏離預(yù)警模型

FOD車(chē)道偏離預(yù)警模型考慮了駕駛員自己的駕車(chē)習(xí)慣，在虛擬邊界狀態(tài)時(shí)增加了其在駕駛時(shí)的自然轉(zhuǎn)向時(shí)習(xí)慣的一些偏離量。若駕駛員在駕駛時(shí)沒(méi)有這種偏離習(xí)慣，那么真實(shí)的車(chē)道標(biāo)志線和虛擬的車(chē)道線重合一致。使用FOD預(yù)警模型方法引起的警告觸發(fā)其準(zhǔn)則是：L′P>V；L′P則表示為預(yù)計(jì)車(chē)輛的側(cè)向位置，它的計(jì)算公式是：L′P=LP+TLV。當(dāng)前車(chē)輛與車(chē)道邊界線之間的距離表示為L(zhǎng)P，側(cè)向速度表示為L(zhǎng)V；T是預(yù)計(jì)的時(shí)間，其計(jì)算公式為：V-xLV=T，公式里的x含義是期望警告發(fā)生的點(diǎn)；V則表示為虛擬的車(chē)道邊界 。

2.2 CCP車(chē)道偏離預(yù)警模型

CCP車(chē)道偏離預(yù)警模型最主要的原理就是利用汽車(chē)在車(chē)道當(dāng)中的位置信息。根據(jù)車(chē)道檢測(cè)算法可以獲得汽車(chē)在車(chē)道中的當(dāng)前位置。使y0為車(chē)道中心和車(chē)輛中心之間的距離，假設(shè)汽車(chē)幾乎平行于車(chē)道，b車(chē)輛寬度給定一個(gè)值時(shí)，當(dāng)前汽車(chē)的倆前輪與左右車(chē)道邊界線的相對(duì)位置利用以下公式計(jì)算得出：

（1）式中，上式表示左邊車(chē)輪相對(duì)左邊車(chē)道邊界的位置，下式表示右邊車(chē)輪相對(duì)右邊車(chē)道邊界的位置；bc表示車(chē)道寬度。當(dāng)Δy>0時(shí)，則汽車(chē)在車(chē)道線里面，無(wú)須發(fā)出警告。若汽車(chē)前輪中其中的一個(gè)輪胎跨越車(chē)道邊界的時(shí)候，則汽車(chē)已經(jīng)偏離了車(chē)道，也就是說(shuō)只要有一邊Δy<0，那么就認(rèn)為汽車(chē)已經(jīng)偏離了車(chē)道。

2.3 KBIRS車(chē)道偏離預(yù)警模型

KBIRS車(chē)道偏離預(yù)警模型現(xiàn)在還沒(méi)能在車(chē)道偏離預(yù)警的系統(tǒng)中做出實(shí)際應(yīng)用，這種模型目前還只是被當(dāng)成一種理論上的觀點(diǎn)所提出來(lái)的，最主要的都是感知自然場(chǎng)景。通過(guò)物體的幾何輪廓來(lái)大概的估測(cè)物體是否存在，然后經(jīng)過(guò)分析后所得到的車(chē)道信息，稱(chēng)為KBIRS模型的原理。KBIRS模型的方法是以當(dāng)汽車(chē)如果產(chǎn)生了很大幅度的偏移時(shí)，那么就會(huì)劇烈的改變場(chǎng)景感知，利用這種方法來(lái)決定有無(wú)需要發(fā)出相關(guān)的警告信息為基本思想的。

2.4 TLC車(chē)道偏離預(yù)警模型

TLC車(chē)道偏離預(yù)警模型主要是用于盡早地檢測(cè)出車(chē)輛可能的偏離信息。這種方法是以幾秒鐘內(nèi)汽車(chē)的假設(shè)運(yùn)動(dòng)模型為主要依據(jù)的，并且能夠?qū)⑵?chē)即將離開(kāi)車(chē)道邊界的時(shí)間估計(jì)出來(lái)。需要考慮以下兩種運(yùn)動(dòng)模型來(lái)計(jì)算，即：

①設(shè)定汽車(chē)保持目前的方向不變，則可以用下式來(lái)描述得到的運(yùn)動(dòng)模型為：

y（l）=y0+θl（2）

（2）式中，汽車(chē)相對(duì)車(chē)道的方向的夾角表示為θ，也可以稱(chēng)之為航偏角；汽車(chē)所行駛出的直線的距離表示為l；y0用來(lái)表示當(dāng)前這一時(shí)間的汽車(chē)相對(duì)車(chē)道的中心的橫向偏移的量；在駛出距離為l時(shí)的汽車(chē)橫向偏移量表示為y（l）。

②設(shè)定駕駛者一定的方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角不變，則這種情況下汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡與車(chē)道的邊界回歸曲線的模型就會(huì)很相似，那么描述公式可表示為：

y（l）=y0+θl+12C0l2（3）

（3）式中，汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)曲線的曲率表示為C0，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角來(lái)獲得。前面所說(shuō)的這兩種模型全部都是基于汽車(chē)中心的運(yùn)動(dòng)所估計(jì)出來(lái)的，分別用以下公式來(lái)描述左右輪的運(yùn)動(dòng)：

yl（l）=y（l）+12bc，yr（l）=y（l）-12bc（4）

（4）式中的下標(biāo)和分別代表的是左右車(chē)輪，汽車(chē)即將橫越過(guò)車(chē)道的邊界的假設(shè)距離是由汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的曲線和相對(duì)應(yīng)的車(chē)道的邊界曲線它們之間的相交點(diǎn)來(lái)決定的，TLC 值就是利用此距離比現(xiàn)有汽車(chē)的速度來(lái)計(jì)算得到的 。

3 建立車(chē)道偏離預(yù)警的模型

在現(xiàn)有的一些車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)的模型基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)分析和對(duì)比，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，這里主要利用的是基于汽車(chē)在當(dāng)前車(chē)道中方向參數(shù)和橫向的位置來(lái)確立偏離預(yù)警的規(guī)則的。

如圖1展示：汽車(chē)車(chē)體的長(zhǎng)度表示為L(zhǎng)c；車(chē)道寬度用Wr來(lái)表示；汽車(chē)車(chē)體的寬度表示為Wc；x軸代表汽車(chē)與道路線垂直上的方向，y軸代表道路線的延伸方向。θ也可稱(chēng)之為汽車(chē)的偏航角，表示為汽車(chē)的朝向和道路線間的夾角。

其中，表示攝像機(jī)的俯仰角，αx表示攝像機(jī)鏡頭的焦距。由上可看出：通過(guò)理想消失點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際消失點(diǎn)坐標(biāo)可以計(jì)算出車(chē)輛偏航角。

車(chē)輛橫向偏移距離d的計(jì)算：

假設(shè)地面平坦，則左車(chē)道線在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（dl，0，dz），其中dl表示與車(chē)道線平行的車(chē)輛距離左車(chē)道線的距離，dz表示左車(chē)道線在y方向上的坐標(biāo)?？傻贸鍪澜缱鴺?biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

其中，R和T分別表示攝像機(jī)外參數(shù)中的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，由上可得出車(chē)道線在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：

前面講到對(duì)攝像機(jī)可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，對(duì)系統(tǒng)的精確性影響不大，但卻可以減少很多計(jì)算量，根據(jù)針孔成像原理，忽略攝像機(jī)偏航角和側(cè)傾角的攝像機(jī)外部參數(shù)如下：

假設(shè)V為經(jīng)過(guò)攝像機(jī)光心的與直線L垂直的一條直線，L與V的交點(diǎn)為m，則點(diǎn)m的坐標(biāo)為：

設(shè)左車(chē)道線為K，并且假設(shè)車(chē)輛距離左車(chē)道線距離為dl，車(chē)道寬度為W，根據(jù)透視原理，左右相互平行的車(chē)道線在圖像中相交于消失點(diǎn)，車(chē)輛距離左車(chē)道的橫向偏移距離為：

其中，k1、k2分別表示左右車(chē)道線的斜率。θ和d1計(jì)算得出之后d2可由（12）公式計(jì)算得出：

在計(jì)算得出d2以后，參照相似三角形的原理，代入式（13）能夠計(jì)算出：

到這里就完成了左邊車(chē)輪和左邊車(chē)道的邊界的距離的計(jì)算，右邊的距離也可由此推出來(lái)計(jì)算得到。

4 車(chē)道偏離預(yù)警決策算法

在計(jì)算出來(lái)的左邊和右邊兩側(cè)的車(chē)輪和左右兩側(cè)的車(chē)道的邊界的距離之后，分別來(lái)判斷這兩個(gè)距離有無(wú)符合觸發(fā)到車(chē)道偏離預(yù)警的系統(tǒng)。如圖2所展示的預(yù)警模型參數(shù)關(guān)系。

在圖2中，汽車(chē)的行駛方向和車(chē)道方向間的夾角表示為θ，θ<0即表示為當(dāng)汽車(chē)向右側(cè)方向轉(zhuǎn)彎，θ>0即表示為當(dāng)汽車(chē)向左側(cè)方向轉(zhuǎn)彎。在最早的報(bào)警線和車(chē)道線兩者之間設(shè)置臨界警報(bào)線。觸發(fā)車(chē)道偏離預(yù)警時(shí)有以下情況：

（1）當(dāng)汽車(chē)的前車(chē)輪在最早報(bào)警線與臨界報(bào)警線之間時(shí)，可以滿足下面的公式，同時(shí)要在θ>θt（即θt為一個(gè)固定的閾值）時(shí)才會(huì)觸發(fā)到車(chē)道偏離預(yù)警的系統(tǒng)。

（2）當(dāng)汽車(chē)的前車(chē)輪在臨界的報(bào)警線之內(nèi)時(shí)，就能滿足下面的公式，那么就會(huì)直接觸發(fā)汽車(chē)車(chē)道偏離預(yù)警的系統(tǒng)。

（3）若駕駛者在轉(zhuǎn)向駕駛時(shí)啟動(dòng)了轉(zhuǎn)向燈（即進(jìn)行了下意識(shí)的轉(zhuǎn)向行為操作），則汽車(chē)就不會(huì)觸發(fā)到車(chē)道偏離預(yù)警的系統(tǒng)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們把實(shí)驗(yàn)所用的CCD攝像機(jī)安裝固定在車(chē)內(nèi)前視鏡上之后，在合蕪140 km的高速公路段進(jìn)行試驗(yàn)。來(lái)回進(jìn)行了兩次測(cè)試，并對(duì)往返兩次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行偏離預(yù)警統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

在此次試驗(yàn)中主要是統(tǒng)計(jì)出了從采集圖像及處理的過(guò)程到估算出汽車(chē)行駛中的參數(shù)及再到最后確定系統(tǒng)需不需要發(fā)出預(yù)警信號(hào)等一整個(gè)運(yùn)行計(jì)算的過(guò)程所需的時(shí)間。并且還對(duì)改變的車(chē)道模型與其關(guān)鍵參數(shù)的提取等對(duì)它們進(jìn)行了準(zhǔn)確度的統(tǒng)計(jì)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到的系列數(shù)據(jù)和圖形發(fā)現(xiàn)，這里所研究的偏離預(yù)警系統(tǒng)多數(shù)情況都能發(fā)現(xiàn)并發(fā)出警告，其誤警率也低至3%。實(shí)驗(yàn)中的截圖如圖3所示。

雖然這里研究時(shí)考慮了一些算法的實(shí)時(shí)性以及有效性，但還是因?yàn)閭€(gè)人能力和時(shí)間上的不足以及實(shí)驗(yàn)條件較差等的因素，僅僅滿足了一部分的設(shè)計(jì)要求，對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用來(lái)說(shuō)還相差甚遠(yuǎn)。只是例舉了部分道路情況，還有很多不同的情況都沒(méi)一一例舉出來(lái)了。除此之外，車(chē)道的變更等情況也沒(méi)考慮在內(nèi)，所以本論文還處于對(duì)車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初級(jí)階段，需要展開(kāi)和討論的問(wèn)題和工作還有很多，這些問(wèn)題都是未來(lái)需要進(jìn)行解決的系列問(wèn)題了。

6 結(jié)語(yǔ)

分析和介紹了現(xiàn)有的較為常用的一些汽車(chē)車(chē)道偏離預(yù)警的系統(tǒng)的模型分類(lèi)，然后結(jié)合所研究的系統(tǒng)的一些實(shí)際的情況而設(shè)計(jì)出了汽車(chē)車(chē)道偏離預(yù)警的系統(tǒng)決策的模塊。在最后，對(duì)該預(yù)警系統(tǒng)決策的模塊的一些決策算法的實(shí)現(xiàn)以及決策的原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所得，本課題研究的車(chē)道偏離預(yù)警的系統(tǒng)的具有一定的可靠性和實(shí)際應(yīng)用性。

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